關(guān)于有壓燒結(jié)銀材料及其印刷工藝

—— 賀利氏電子技術(shù)（蘇州）有限公司 羅金濤

1.第三代半導(dǎo)體發(fā)展對(duì)互連材料的新要求

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，以及系統(tǒng)層面的銀燒結(jié)工藝的應(yīng)用，顯著提升器件的工作頻率、效率和功率密度。同時(shí)，其在芯片與基板之間，以及模塊和散熱器的互連材料，成為決定整個(gè)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的錫鉛焊料或無(wú)鉛焊料，其熱導(dǎo)率普遍低于60

W/(m·K)，在高溫環(huán)境下易發(fā)生蠕變、空洞聚集和界面金屬間化合物（IMC）過(guò)度生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響長(zhǎng)期服役可靠性。燒結(jié)銀膏作為一種高可靠性互連解決方案，通過(guò)亞微米銀顆粒在低于銀熔點(diǎn)的溫度下發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散，形成多孔但致密的銀連接層。不僅具備接近純銀的熱導(dǎo)率（200-300W/(m·K)），而且擁有高達(dá)961℃的等效熔點(diǎn)，能夠在200℃以上的高溫環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。因此，燒結(jié)銀膏成為第三代半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域補(bǔ)齊水桶短板的關(guān)鍵技術(shù)。

2.燒結(jié)銀膏的基本原理與分類

燒結(jié)是粉末材料在低于其熔點(diǎn)的溫度下，通過(guò)原子擴(kuò)散形成致密體的過(guò)程。燒結(jié)銀膏的燒結(jié)機(jī)制主要為表面擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散。根據(jù)燒結(jié)時(shí)是否需要外部施加壓力，燒結(jié)銀膏主要分為兩大類：有壓燒結(jié)銀膏和無(wú)壓燒結(jié)銀膏。

3.有壓燒結(jié)銀膏的典型工藝流程，印刷質(zhì)量判斷與常見(jiàn)問(wèn)題

目前，有壓燒結(jié)典型應(yīng)用流程為：銀膏印刷→烘干→芯片熱帖→有壓燒結(jié)，四個(gè)步驟。

其中印刷作為重要環(huán)節(jié)之一，印刷質(zhì)量的核心指標(biāo)包括：表面平整度、邊緣一致性、無(wú)麻點(diǎn)或凹陷，以及“狗耳朵”（dog-ear）現(xiàn)象的控制。“狗耳朵”指銀膏在印刷收刀端，因脫模不暢形成的局部堆積（如圖2）。實(shí)際應(yīng)用中，常出現(xiàn)麻點(diǎn)、凹痕、“狗耳朵”偏高等問(wèn)題，需從設(shè)計(jì)、設(shè)備、材料等多方面進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化。

圖1

典型芯片級(jí)產(chǎn)品的印刷形貌如圖2和3所示。由于銀膏特別的流變性，在印刷收刀端易因脫模困難形成局部堆積，即“狗耳朵”現(xiàn)象。該現(xiàn)象具有可重復(fù)性，不隨印刷次數(shù)或方向改變而消除。

以100 μm鋼網(wǎng)為例，“狗耳朵”高度（Hd）通常控制在30 μm以內(nèi)；而印刷起始端則可能出現(xiàn)輕微坡度。實(shí)際測(cè)量中，銀膏厚度（T）應(yīng)取“平坦區(qū)域“的平均值，避免取邊緣高點(diǎn)或低點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)代表性。對(duì)于100 μm鋼網(wǎng)，典型印刷厚度（T）為70–90 μm。

圖2

圖3

4.影響銀膏印刷質(zhì)量的五大關(guān)鍵因素

影響銀膏印刷質(zhì)量的關(guān)鍵要素，通常包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)，印刷機(jī)設(shè)備精度，鋼網(wǎng)&刮刀，印刷參數(shù)，以及銀膏材料。

4.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)直接影響印刷過(guò)程中的鋼網(wǎng)貼合與支撐穩(wěn)定性：

●芯片布局密度

芯片間距過(guò)小（如小于2 mm）會(huì)導(dǎo)致鋼網(wǎng)“過(guò)橋”區(qū)域過(guò)窄，降低鋼網(wǎng)局部剛性，影響與基板的貼合，增加溢膠風(fēng)險(xiǎn)。

●邊緣與溝槽距離

當(dāng)芯片靠近基板邊緣或存在深溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)，局部支撐不足，鋼網(wǎng)易變形，導(dǎo)致貼合不均，引發(fā)銀膏溢出、厚度不均等問(wèn)題。在一些案例中，我們對(duì)比了不同產(chǎn)品，在同樣的設(shè)備及工藝條件下，其印刷質(zhì)量卻非常不同，如圖4。

●芯片尺寸

最顯著的差異是，大尺寸芯片工藝中，“狗耳朵”影響相對(duì)較小，而在系統(tǒng)級(jí)燒結(jié)工藝中幾乎可忽略。小尺寸芯片工藝中，“狗耳朵”相對(duì)尺寸更大，影響也相對(duì)更大，如圖4。

圖4

4.2印刷設(shè)備精度

是保障高質(zhì)量印刷的前提，主要包括：

●鋼網(wǎng)與基板的平行度：必須精確調(diào)整，確保兩者在整個(gè)印刷區(qū)域內(nèi)均勻接觸。

●頂升高度控制：理想狀態(tài)是鋼網(wǎng)與基板“剛好接觸”，既不過(guò)高（導(dǎo)致鋼網(wǎng)鼓起，形似“蒙古包”），也不過(guò)低（形成間隙，引發(fā)漏印或厚度不均）。

在一些案例中，我們看到經(jīng)過(guò)良好設(shè)備校準(zhǔn)的印刷設(shè)備，呈現(xiàn)出明顯更好的印刷質(zhì)量。

需特別強(qiáng)調(diào)：銀膏與錫膏在物理特性上存在本質(zhì)差異。銀膏粘度更低、銀顆粒更細(xì)（通常為亞微米級(jí)）、不具備流變恢復(fù)能力。因此，不能直接套用錫膏的印刷經(jīng)驗(yàn)，否則極易導(dǎo)致溢膠、厚度失控等問(wèn)題。

圖5

4.3鋼網(wǎng)&刮刀

●鋼網(wǎng)

鋼網(wǎng)厚度：直接影響銀膏涂覆量。

- 芯片級(jí)燒結(jié)：推薦80–120 μm

- 系統(tǒng)級(jí)大面積燒結(jié)：推薦350–500 μm

過(guò)厚易造成貼片時(shí)銀膏溢出；過(guò)薄則影響熱傳導(dǎo)與機(jī)械強(qiáng)度及可靠性。

階梯鋼網(wǎng)：推薦階梯鋼網(wǎng)的開(kāi)口設(shè)計(jì)，將對(duì)抑制“狗耳朵”以及改善印刷成型有顯著效果。

疏水性納米涂層：在鋼網(wǎng)表面施加疏水性納米涂層，可顯著降低膏體粘附，提高脫模性和印刷一致性。賀利氏mAgic系列銀膏在使用這種涂層鋼網(wǎng)的情況下，可實(shí)現(xiàn)最高8小時(shí)的連續(xù)印刷。

鋼網(wǎng)張力：>35N/cm，確保印刷過(guò)程中無(wú)變形或偏移。

●刮刀

不同于錫膏印刷，銀膏印刷在刮刀的選型上，需要注意盡量減少刮刀片在印刷中的變形。

4.4印刷參數(shù)

關(guān)于推薦的印刷參數(shù)設(shè)置：

印刷壓力：結(jié)合前文分析，低壓力搭配適當(dāng)?shù)挠∷⒐蔚叮兄诳刂啤肮范洹迸c厚度均勻性。

印刷速度：較低速度有利于銀膏充分填充網(wǎng)孔，提升表面平整度，并減少“狗耳朵”形成。

印刷模式：推薦采用“往復(fù)印刷（雙向往返）“，相比單次印刷，能顯著提高邊角填充效果和整體一致性。

4.5銀膏材料

銀膏材料本身的性能是決定印刷質(zhì)量的根本因素之一。高性能銀膏需具備良好的印刷性、批次穩(wěn)定性與燒結(jié)一致性。這些特性依賴于原材料選擇與精密生產(chǎn)工藝。國(guó)際領(lǐng)先廠商憑借成熟的技術(shù)積累、廣泛的行業(yè)驗(yàn)證和強(qiáng)大的技術(shù)支持體系，往往能夠?yàn)榭蛻籼峁难邪l(fā)到量產(chǎn)的全流程保障。

以“粘度“為例，其在印刷操作性方面，對(duì)溢膠及印刷表面平整度產(chǎn)生影響，也在一定程度上影響到燒結(jié)后的強(qiáng)度。：

- 粘度過(guò)低：易導(dǎo)致溢膠問(wèn)題；

- 粘度過(guò)高：可能造成表面不平整或填充不足問(wèn)題；

- 但在燒結(jié)后機(jī)械強(qiáng)度表現(xiàn)方面，較高粘度，又有一定程度的提升。

因此，應(yīng)綜合評(píng)估粘度對(duì)“印刷性“與”最終性能“的影響，平衡各方面優(yōu)劣得失（如圖5），選擇最適配各自具體產(chǎn)品的材料。

例如，賀利氏（Heraeus）基于大量應(yīng)用數(shù)據(jù)，建立了精準(zhǔn)的材料性能指標(biāo)體系，可為用戶提供成熟的產(chǎn)品選型與工藝建議。

圖6

5.展望

綜上所述，燒結(jié)銀膏的印刷工藝是功率模塊封裝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)優(yōu)化鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)、印刷參數(shù)及銀膏材料性能，可實(shí)現(xiàn)高可靠性互連，滿足第三代半導(dǎo)體對(duì)高功率密度與高溫穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。

德國(guó)賀利氏電子（Heraeus Electronics）作為全球領(lǐng)先的電子材料供應(yīng)商，其mAgic系列燒結(jié)銀膏在行業(yè)中享有盛譽(yù)，代表了當(dāng)前燒結(jié)銀技術(shù)的先進(jìn)水平。該系列產(chǎn)品專為功率模塊封裝設(shè)計(jì)，支持有壓與無(wú)壓燒結(jié)工藝，具備優(yōu)異的熱導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度與工藝適應(yīng)性。

mAgic系列針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景提供完整解決方案：

●芯片級(jí)燒結(jié)產(chǎn)品

-mAgic PE043：適用于金、銀界面的芯片級(jí)燒結(jié)，廣泛用于Si、SiC、GaN器件。

-mAgic PE338：兼容金、銀、銅等多種界面，適用性更廣。

該系列產(chǎn)品支持多種涂敷方式（鋼網(wǎng)印刷、絲網(wǎng)印刷、點(diǎn)膠），已在國(guó)內(nèi)外眾多領(lǐng)先客戶中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用，是經(jīng)過(guò)充分市場(chǎng)驗(yàn)證的成熟方案。

●系統(tǒng)級(jí)大面積燒結(jié)產(chǎn)品

-mAgic PE360、PE350：專為系統(tǒng)級(jí)大面積燒結(jié)設(shè)計(jì)，適用于功率模塊與散熱器或基板之間的連接。

其可顯著降低系統(tǒng)熱阻，突破散熱瓶頸，是高功率密度、高熱負(fù)荷應(yīng)用的理想解決方案。